자유자재 3D형상까지… 유연 배터리 한계 넘었다

- 스테인리스 스틸 섬유로 보강한 다공성 구조 유연 전극 개발

□두꺼운데 잘 휘어지는 전극을 개발, 3D 자유형상 배터리 제작이 가능해지면서 복잡한 제품 형태에 맞춘 차세대 유연 배터리 상용화가 기대된다.

□과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 나노디스플레이연구실 현승민 책임연구원과 소혜미 선임연구원 연구팀이 스테인리스 스틸 섬유를 3D 집전체*로 활용해 이차전지의 두꺼운 유연 전극을 개발, 기존 유연 배터리보다 높은 에너지밀도를 달성했다고 밝혔다.

     *집전체: 배터리 내부 전극(양극, 음극)과 맞닿은 머리카락보다 얇은 약 10μm 두께의 막으로 전극을 물리적으로 고정해 주고 충·방전할 때 전자가 이동할 수 있도록 돕는 역할을 한다.

□유연 배터리는 성능 저하 없이 구부리거나 늘릴 수 있게 설계된 에너지 저장 장치다. 최근 웨어러블 장치와 스마트 기기 시장 확대에 따라 그 수요가 급증하고 있으나 기존 기술은 높은 에너지 밀도와 기계적 유연성을 동시에 구현하는 데 어려움을 겪고 있다. 특히 유연 배터리에 두꺼운 전극을 사용하면 전자와 이온의 이동이 어려워 성능이 떨어지고 유연성을 잃는 문제를 해결하는 것이 상용화를 위한 중요한 과제 중 하나다.

□연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 배터리의 전극에 가벼운 섬유형 집전체와 다공성 전극 구조를 결합해 고성능 유연 배터리 개발에 성공했다. 열유도 상분리 공정*으로 형성된 다공성 이중 연속 구조는 두껍고 매우 유연한 전극을 구현할 수 있었다. 또한 스테인리스 스틸 섬유 보강을 통해 계면 접착력, 굽힘 내구성, 전기 전도성을 한층 강화했다. 이렇게 개발한 이차전지 전극은 거의 직각으로 굽히는 수준(최소 굽힘 반경 3mm)에서도 성능 저하 없이 작동하며, 삼원계 배터리(NCM**) 반쪽 셀의 경우 약 500 Wh/L의 에너지 밀도로, 기존의 유연한 배터리보다 우수한 성능을 보였다. 섬유 집전체가 전극 물질과 네트워크 형태를 이뤄 어떠한 자유곡면에도 적용 가능, 기존의 전극 구조로는 제조하기 어려운 3D 자유형상 배터리로 제작할 수 있다.

     *열유도상분리(TIPS) 공정: 고분자의 용융점을 상회하는 온도에서 균일하게 혼합된 용융액을 막의 형태로 성형한 후 가해진 열을 냉각시킴으로써 고분자와 활물질의 상분리(Binder rich/Binder lean phase)를 일으키는 공정

     **삼원계 배터리(NCM): 가장 많이 쓰이는 대표적인 삼원계 배터리 중 하나로 니켈, 코발트, 망간이 다양한 비율로 구성되어 있고 주로 전기차의 양극재로 쓰인다.

□현승민 책임연구원, 소혜미 선임연구원은 “이번에 개발한 전극은 높은 에너지 밀도와 유연성을 동시에 실현함으로써 차세대 유연 배터리의 상용화 가능성을 높일 수 있다”며 “특히 3D 자유형상 배터리를 제작할 수 있는 능력은 산업계에서 복잡한 제품 형태에 맞춘 배터리 개발을 가능하게 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼즈 (Advanced Fiber Materials)’에 9월 2일 게재됐다.

<스테인리스 스틸 (SS) 섬유 강화 유연 전극>

<반구 형태의 섬유강화 전극으로 조립된 3D 자유 형상 배터리>

<미세구조 제어용 가변 레이저 모듈을 포함한 3D프린팅 장비>